Cours 6

La gluconéogenèse est un processus vital qui permet la synthèse de glucose à partir de précurseurs non glucidiques, assurant un apport constant d'énergie, notamment pour le système nerveux et les érythrocytes. Ce processus est crucial en période de jeûne ou de famine, lorsque les réserves de glycogène sont épuisées.

Importance Biomédicale de la Gluconéogenèse

• Définition : Conversion de précurseurs non glucidiques (acides aminés glucogéniques, lactate, glycérol, propionate) en glucose ou glycogène.

• Tissus principaux : Le foie et les reins (contribuant jusqu'à 40% en cas de jeûne prolongé).

• Nécessité du glucose : Essentiel pour le système nerveux, les érythrocytes et le maintien des intermédiaires du cycle de Krebs (CAC).

• Rôle d'épuration : Élimine le lactate (produit par les muscles et érythrocytes) et le glycérol (produit par le tissu adipeux) du sang.

• Importance chez les herbivores : Le propionate est un substrat majeur de la gluconéogenèse.

• Conséquences d'une gluconéogenèse excessive :

  • Hyperglycémie en cas de blessure, infection ou diabète de type 2.

  • L'hyperglycémie entraîne des changements d'osmolarité, une acidose intracellulaire et une production accrue de radicaux libres, affectant la fonction endothéliale, le système immunitaire et la coagulation.

La Gluconéogenèse : Réactions Clés

La gluconéogenèse n'est pas une simple inversion de la glycolyse en raison de trois réactions irréversibles de la glycolyse (catalysées par l'hexokinase, la phosphofructokinase et la pyruvate kinase).

• Signal gluconéogénique : Des concentrations élevées d'alanine (Ala) et de glucagon (AMPc) inhibent la pyruvate kinase, favorisant la gluconéogenèse.

• Source d'ATP : L'ATP nécessaire provient de l'oxydation des acides gras.

• Enzymes clés :

  • Pyruvate carboxylase

  • PEP carboxykinase

  • Fructose 1,6-bisphosphatase

  • Glucose 6-phosphatase

Pyruvate et Phosphoénolpyruvate

La conversion du pyruvate en phosphoénolpyruvate contourne la réaction de la pyruvate kinase en deux étapes endergoniques :

1. Pyruvate carboxylase : Catalyse la carboxylation du pyruvate en oxaloacétate dans la mitochondrie.

   • Nécessite de l'ATP et de la biotine (coenzyme).

2. Phosphoénolpyruvate carboxykinase (PEP carboxykinase) : Catalyse la décarboxylation et la phosphorylation de l'oxaloacétate en phosphoénolpyruvate.

   • Utilise le GTP comme donneur de phosphate.

   • Le GTP est produit par la succinate thiokinase dans le CAC hépatique et rénal, liant ainsi l'activité du CAC à la gluconéogenèse.

Fructose 1,6-bisphosphate et Fructose 6-phosphate

• La fructose 1,6-bisphosphatase catalyse la conversion du fructose 1,6-bisphosphate en fructose 6-phosphate.

• Présente principalement dans le foie et les reins, elle détermine la capacité d'un tissu à synthétiser du glucose à partir du pyruvate et des trioses phosphates.

Glucose 6-phosphate et Glucose

• La glucose 6-phosphatase catalyse la conversion du glucose 6-phosphate en glucose.

• Présente dans le foie et les reins, mais absente dans les muscles, ce qui empêche le muscle d'exporter du glucose dans le sang.

Le Propionate

• Chez les ruminants : Précurseur majeur du glucose, il entre dans la gluconéogenèse via le CAC.

• Chez les non-ruminants : Substrat mineur, provenant de :

  • La β-oxydation d'acides gras à nombre impair de carbones.

  • L'oxydation de l'isoleucine.

  • L'oxydation de la chaîne latérale du cholestérol.

• La méthylmalonyl-CoA mutase, qui requiert la vitamine B₁₂, est essentielle dans cette voie. Une carence entraîne une acidurie méthylmalonique.

Le Glycérol

• Libéré par la lipolyse des triacylglycérols dans les tissus extra-hépatiques (lipoprotéine lipase) et le tissu adipeux (lipase hormonosensible, activée par le glucagon et l'adrénaline).

• Dans le foie (et les reins), le glycérol peut être utilisé pour la ré-estérification des acides gras ou comme substrat pour la gluconéogenèse en période de jeûne.

Régulation Réciproque de la Glycolyse et de la Gluconéogenèse

La régulation est assurée par trois mécanismes :

1. Changements du taux de synthèse des enzymes :

   • L'insuline (hyperglycémie) augmente la synthèse des enzymes de la glycolyse et de la lipogenèse, et diminue celles de la gluconéogenèse.

   • Le glucagon et les glucocorticoïdes (hypoglycémie) induisent la synthèse des enzymes de la gluconéogenèse.

2. Modification covalente par phosphorylation réversible :

   • Le glucagon et l'adrénaline (baisse de la glycémie) augmentent l'AMPc, activant la protéine kinase dépendante de l'AMPc (PKA).

   • La PKA inactive la pyruvate kinase (inhibant la glycolyse) et active la glycogénolyse (augmentant le glucose sanguin).

   • L'adrénaline stimule aussi la glycogénolyse musculaire pour l'ATP.

3. Modification allostérique :

   • La pyruvate carboxylase est activée allostériquement par l'acétyl-CoA, assurant des réserves d'oxaloacétate.

   • L'acétyl-CoA inhibe également la pyruvate déshydrogénase, ce qui économise l'oxydation du pyruvate et stimule la gluconéogenèse.

   • L'oxydation des acides gras fournit l'ATP nécessaire à la gluconéogenèse.

   • La phosphofructokinase-1 (PFK-1) est inhibée par le citrate et l'ATP, et activée par le 5'-AMP (indicateur du statut énergétique).

Le Fructose 2,6-bisphosphate (F-2,6-bisP)

• Effecteur clé de la régulation hépatique de la glycolyse et de la gluconéogenèse.

• Active la PFK-1 (lève l'inhibition par l'ATP) et inhibe la fructose 1,6-bisphosphatase.

• Produit par la PFK-2 (enzyme bifonctionnelle) à partir du fructose 6-P.

• En excès de glucose : Augmentation du F-2,6-bisP, stimulant la glycolyse.

• En jeûne : Le glucagon inactive la PFK-2 (par phosphorylation via PKA) et active la fructose 2,6-bisphosphatase, réduisant le F-2,6-bisP et favorisant la gluconéogenèse.

Contrôle de la Glycémie

La glycémie est maintenue dans des limites étroites par des mécanismes métaboliques et hormonaux impliquant le foie, les tissus extra-hépatiques et diverses hormones.

• Cellules hépatiques : Perméables au glucose (GLUT 2).

• Tissus extra-hépatiques : Imperméables au glucose, leur entrée est régulée par l'insuline (GLUT 4).

Principaux Transporteurs du Glucose (Tableau récapitulatif)

Rôle de la Glucokinase

• Présente dans le foie, elle a un Km élevé pour le glucose.

• Permet au foie de capter de grandes quantités de glucose après un repas pour la synthèse de glycogène et d'acides gras.

• Absente chez les ruminants.

Insuline et Glucagon

• Insuline (cellules β du pancréas) :

  • Sécrétée en réponse à l'hyperglycémie.

  • Augmente l'entrée du glucose dans le tissu adipeux et le muscle (recrutement de GLUT 4).

  • Augmente l'entrée du glucose dans le foie à long terme en agissant sur les enzymes de la glycolyse, glycogénogenèse et gluconéogenèse.

• Glucagon (cellules α du pancréas) :

  • Sécrété en réponse à l'hypoglycémie.

  • Stimule la glycogénolyse hépatique (via l'activation de la phosphorylase b) et la gluconéogenèse.

  • N'a pas d'effet sur la phosphorylase musculaire.

  • Agit via la génération d'AMPc.

Autres Hormones Affectant la Glycémie

• Hormone de croissance (somatotropine) et ACTH : Élevent la glycémie (antagonistes de l'insuline).

• Glucocorticoïdes : Stimulent la gluconéogenèse et inhibent l'utilisation du glucose dans les tissus extra-hépatiques.

• Cytokines : Peuvent entraîner une insulinorésistance (syndrome métabolique).

• Adrénaline : Provoque la glycogénolyse hépatique et musculaire (via AMPc) en réponse au stress.

Glycosurie

• Présence de glucose dans l'urine lorsque la glycémie dépasse le seuil rénal (environ 180-220 mg/dL chez le chien, 250-300 mg/dL chez le chat).

• Le glucose est normalement réabsorbé par les tubules rénaux (SGLT 1), mais cette capacité est limitée.

Hypoglycémie pendant la Gestation et chez le Nouveau-né

• Risque accru d'hypoglycémie maternelle et fœtale due à l'augmentation de la consommation fœtale de glucose.

• Les nouveau-nés de faible poids sont plus susceptibles en raison de faibles réserves lipidiques et d'enzymes de gluconéogenèse immatures.

Test de Tolérance au Glucose par Voie Orale

• Évalue la capacité à réguler la glycémie après administration de glucose.

• Diabète sucré de type 1 : Diminution de la tolérance due à une faible sécrétion d'insuline.

• Diabète de type 2 : Diminution de la tolérance due à une perte de sensibilité à l'insuline (insulinorésistance).

• Syndrome métabolique : Insulinorésistance associée à l'obésité, hyperlipidémie, athérosclérose.

• L'excès d'insuline peut provoquer une hypoglycémie sévère.

Le Cycle des Cori

• Processus où le lactate produit par la glycolyse anaérobie dans les muscles squelettiques et les érythrocytes est transporté vers le foie et les reins.

• Dans le foie et les reins, le lactate est reconverti en glucose par la gluconéogenèse, puis le glucose est libéré dans la circulation pour être utilisé par les tissus.

• L'alanine (Ala) est également formée dans le muscle à partir du pyruvate (via transamination) et exportée vers le foie pour la gluconéogenèse.

Métabolisme du Glycogène

Le glycogène est la principale forme de stockage des glucides chez les animaux, présent principalement dans le foie et les muscles.

Importance Biomédicale du Glycogène

• Glycogène musculaire : Source rapide de glucose 1-phosphate (G-1P) pour la glycolyse et la production d'ATP lors de l'activité musculaire.

• Glycogène hépatique : Maintient la glycémie entre les repas en libérant du glucose dans le sang. S'épuise après 12-18 heures de jeûne.

• La structure ramifiée du glycogène permet une libération rapide de G-1P.

• Le muscle ne peut pas exporter de glucose car il n'a pas de glucose 6-phosphatase. Le lactate musculaire est transporté au foie pour la gluconéogenèse.

• Maladies de stockage du glycogène : Maladies héréditaires dues à des défauts de mobilisation ou à des dépôts anormaux de glycogène, entraînant des troubles hépatiques et musculaires.

Glycogénogenèse (Synthèse du Glycogène)

1. Phosphorylation du glucose : Glucose en glucose 6-phosphate (G 6-P) par l'hexokinase (muscle) ou la glucokinase (foie).

2. Isomérisation : G 6-P en glucose 1-phosphate (G 1-P) par la phosphoglucomutase.

3. Activation : G 1-P réagit avec l'uridine triphosphate (UTP) pour former l'uridine diphosphate glucose (UDPGlc) et du PPi, catalysé par l'UDPGlc-pyrophosphorylase. Le PPi est hydrolysé en 2 Pi, rendant la réaction irréversible.

4. Amorce : La glycogénine (protéine) est glucosylée par l'UDPGlc, formant une amorce de glycogène.

5. Élongation : La glycogène synthase ajoute des résidus de glucose (liaisons α-1→4) à l'extrémité non-réductrice de l'amorce.

6. Ramification : L'enzyme de branchement transfère une partie de la chaîne (au moins 6 résidus) à une chaîne voisine, formant une liaison α-1→6.

Glycogénolyse (Dégradation du Glycogène)

1. Rupture phosphorolytique : La glycogène phosphorylase (phosphorylase a) catalyse la rupture des liaisons α-1→4, libérant du G-1P.

   • Nécessite du phosphate de pyridoxal comme coenzyme.

   • S'arrête à environ quatre résidus de glucose de chaque côté d'une ramification α-1→6.

2. Débranchement : L'enzyme de débranchement (enzyme bifonctionnelle) :

   • Activité glucanne transférase : Transfère une unité trisaccharidique à une autre ramification.

   • Activité α-1→6 glycosidase : Hydrolyse la liaison α-1→6, libérant du glucose libre.

3. Isomérisation et libération : Le G-1P est converti en G 6-P par la phosphoglucomutase. Dans le foie, la glucose 6-phosphatase hydrolyse le G 6-P en glucose, qui est exporté.

Régulation de la Glycogénolyse et de la Glycogénogenèse par l'AMPc

Les enzymes clés (glycogène phosphorylase et glycogène synthase) sont régulées de manière opposée par des mécanismes allostériques et des modifications covalentes (phosphorylation/déphosphorylation).

• La phosphorylation de la glycogène phosphorylase augmente son activité.

• La phosphorylation de la glycogène synthase réduit son activité.

Mécanisme de Régulation

1. Augmentation de l'AMPc : L'adrénaline, la noradrénaline et le glucagon (foie) activent l'adénylate cyclase, produisant de l'AMPc.

2. Activation de la PKA : L'AMPc active la protéine kinase dépendante de l'AMPc (PKA).

3. Phosphorylation de la phosphorylase kinase : La PKA phosphoryle la phosphorylase kinase b (inactive) en phosphorylase kinase a (active).

4. Activation de la glycogène phosphorylase : La phosphorylase kinase a phosphoryle la glycogène phosphorylase b (inactive) en glycogène phosphorylase a (active), stimulant la glycogénolyse.

5. Inhibition de la glycogène synthase : La PKA phosphoryle la glycogène synthase a (active) en glycogène synthase b (inactive), inhibant la glycogénogenèse.

6. Déphosphorylation : La protéine phosphatase-1 déphosphoryle et inactive la phosphorylase a et la phosphorylase kinase a, et active la glycogène synthase b.

Autres Facteurs de Régulation

• Insuline : Augmente l'activité de la phosphodiestérase (hydrolyse l'AMPc), et stimule la déphosphorylation et l'activation de la glycogène synthase.

• 5'-AMP : Activateur allostérique de la phosphorylase musculaire b (inactive), signalant un faible statut énergétique.

• Ions Ca²⁺ : Synchronisent l'activation de la glycogène phosphorylase et la contraction musculaire. La sous-unité δ de la phosphorylase kinase fixe le Ca²⁺, activant l'enzyme.

Le métabolisme du glycogène est finement régulé par un équilibre entre les activités de la glycogène synthase et de la glycogène phosphorylase, contrôlé par l'AMPc et d'autres signaux hormonaux et allostériques.